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Revisão dos Fundamentos da Química

Title: URL Source: blob://pdf/37a6add4-3d17-4280-b6e5-b2d1e649c75f Markdown Content: 10 . ANO # EM REVISTA 2 Ordem de grandeza e escalas de comprimento O objeto de estudo da Qumica pode variar desde o tomo at ao Universo. Por esse motivo, conve-niente identificar a ordem de grandeza da dimenso do objeto em estudo. A ordem de grandeza corresponde potncia de base dez mais prxima de um nmero escrito em notao cientfica. As ordens de grandeza das estruturas da Natureza podem ser to variadas que, para simplificar, usam-se frequentemente mltiplos e submltiplos :giga: 1 Gu = 10 9 umega: 1 Mu = 10 6 uquilo: 1 ku = 10 3 uhecto: 1 hu = 10 2 udeca: 1 dau = 10 1 udeci: 1 du = 10 - 1 ucenti: 1 cu = 10 - 2 umili: 1 mu = 10 - 3 umicro: 1 mu = 10 - 6 u u representa qualquer unidade como m (metro), s (segundo), g (grama), etc. SUBDOMNIO SUBDOMNIO SUBDOMNIO # MASSA E TAMANHO DOS TOMOS ENERGIA DOS ELETRES NOS TOMOS TABELA PERIDICA Sistema Medida Notao cientfica Ordem de grandeza Altura mdia de um ser humano 1,7 m 1,7 * 10 0 m 10 0Bactria comum 7 m 7 * 10 6 m 10 5 Raio mdio da Terra 6371 km 6,371 * 10 6 m 10 7Dimetro do Sol 1,39 Gm 1,39 * 10 9 m 10 9 EXEMPLOS 1.1 O TOMO # ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO # DOMNIO AREAL EDITORES 3 > 10. ANO EM REVISTA > 1MASSA E TAMANHO DOS TOMOS As dimenses escala atmica so to reduzidas que usual a utilizao de outros submltiplos como: nanmetro: 1 nm = 1 10 - 9 m angstrm: 1 = 1 10 - 10 m picmetro: 1 pm = 1 10 - 12 m tomo (10 -10 m) Ncleo (10 -14 m) Nucleo (10 -15 m) Quark (10 -20 m) Ordem de grandeza dos raios das partculas escala atmica. Nanotecnologia A nanotecnologia a rea da Qumica que se dedica ao estudo da manipulao da matria escala atmica e molecular e permite o desenvolvimento de aplicaes alucinantes. assim chamada porque os seus objetos de estudo so normalmente medidos em nanmetros. Constituio do tomo O tomo constitudo por uma zona central, o ncleo (de dimenses reduzidas, cerca de 10 4 vezes menor que o tomo, mas onde est concentrada praticamente toda a massa do tomo) e pela nuvem eletrnica . Na nuvem eletrnica localizam-se os eletres de carga negativa com uma massa cerca de 2 * 10 3 vezes inferior dos protes e dos neutres. No ncleo localizam-se os protes, de carga positiva e os neutres, sem carga, com massas aproximadamente iguais. A carga nuclear sempre igual soma das cargas dos protes que se localizam no ncleo. > xwwwwwwywwwwwwz Nome (smbolo) Carga Massa (u) Localizao Proto (p +) +1 1,00728 Ncleo Neutro (n 0) 0 1,00866 Ncleo Eletro (e -) -1 0,00054858 Em torno do ncleo O tomo eletricamente neutro porque tem um nmero igual de protes e de eletres .Os tomos so considerados as unidades base de toda a matria. Cada tomo tem caractersticas prprias, correspondendo-lhe um elemento qumico. O hidrognio, o carbono, o ferro e o oxignio so exemplos de elementos qumicos. Cada elemento qumico tem um nmero atmico nico, que permite a sua identificao e cada tomo de um elemento qumico pode representar-se simbolicamente por: Nmero de massa Smbolo qumico Nmero atmico AREAL EDITORES 4 > 10. ANO EM REVISTA > 1ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO O nmero atmico ( Z) define a identidade de um elemento, ou seja, o nmero de protes existentes no ncleo dos seus tomos. O nmero de massa ( A) um nmero inteiro sem unidades, igual ao nmero total de partculas do ncleo. O que so istopos? Istopos so tomos do mesmo elemento qumico que apresentam, o mesmo nmero atmico, mas diferem no nmero de massa, ou seja, no nmero de neutres. Os istopos de um elemento tm as mesmas propriedades qumicas mas propriedades nucleares distintas. O hidrognio tem trs istopos com nmeros de massa 1, 2 e 3 (contendo 0, 1 e 2 neutres, respetivamente) designados prtio, deutrio e trtio. > EXEMPLO # H3 1p + 1n 01n 0 1H2 1p + 1n 0 1H1 1p + 0n 0 1Prtio Deutrio Trtio Massa isotpica relativa e massa atmica relativa mdia A massa do tomo to pequena que impossvel determin-la diretamente. A alternativa calcular o valor relativo das massas dos vrios elementos, tomando a massa de um deles, ou uma sua frao, como termo de comparao. A massa atmica relativa ( Ar) , ento, definida como sendo o nmero de vezes que a massa de um tomo maior do que um valor de referncia usado como padro, sendo, por isso, uma grandeza adimensional. O valor de referncia 1 12 da massa do tomo do istopo carbono-12. A massa isotpica relativa a massa atmica relativa de um istopo de um dado elemento. Define-se como o nmero de vezes que a massa atmica do istopo desse elemento maior do que o valor padro. tomo de ltio. > EXEMPLO Nmero de massa A = 6 Protes Protes Neutres Nmero atmico Nmero atmico ( Z) = n. de protes Nmero de massa ( A) = n. de protes + n. de neutres Z = 3 AREAL EDITORES 5 > 10. ANO EM REVISTA > 1MASSA E TAMANHO DOS TOMOS A massa atmica relativa mdia de um elemento corresponde mdia ponderada das massas isot-picas dos vrios istopos de um elemento qumico que se encontram na Natureza. Quantidade de matria A dimenso do tomo to reduzida que impensvel contar o nmero de tomos de uma poro de matria, por mais pequena que seja. A mole (cujo smbolo mol ) a unidade de quantidade de matria ( n), uma grandeza base do SI, que corresponde poro de matria de um sistema que contm um nmero de entidades igual ao nmero de tomos de carbono existentes em 0,012 kg de carbono-12. Atualmente, a constante de Avogadro ( NA) uma constante fsica fundamental, que corresponde ao nmero de entidades (tomos, molculas, ies, eletres, fotes, etc.) existentes numa mole da enti-dade considerada e tem o valor de 6,02 * 10 23 mol - 1.O nmero de partculas (N) existente numa pequena poro de matria diretamente proporcional quantidade de matria ( n), sendo a constante de proporcionalidade a constante de Avogadro ( NA). N = n N AA frmula qumica de um composto indica simultaneamente quais os elementos que formam o composto e quais as suas quantidades relativas, permitindo estabelecer uma relao, entre a quanti-dade de molculas e a quantidade de tomos de cada elemento que constitui a molcula. Determinao da massa atmica relativa mdia do cloro. Ar(C) = 34,97 * 0,758 + 36,97 * 0,242 = 35,45 Ar(C) = 35,45 significa que a massa do cloro , em mdia, 35,45 vezes superior massa de 1 12 da massa atmica do istopo carbono-12. O valor obtido no um nmero inteiro, pois resulta de uma mdia ponderada. O resultado mais prximo da massa atmica relativa do istopo mais abundante, pois tem maior peso na mdia do que a do istopo menos abundante. A massa atmica relativa mdia de um elemento pode ser consultada na Tabela Peridica. > EXEMPLO 17 35,45 Cloro Istopo Massa isotpica relativa Abundncia natural / % > 35 C 34,97 75,8 37 C 36,97 24,2 > EXEMPLO # C3 H8 O3 1 mole de molculas de C 3H8O3 3 moles de tomos de carbono 8 moles de tomos de hidrognio 3 moles de tomos de oxignio 18,1 * 10 23 tomos de carbono 48,2 * 10 23 tomos de hidrognio 18,1 * 10 23 tomos de oxignio # C3 H8 O3 6,02 * 10 23 molculas de C 3H8 O3 1.2 QUANTIDADE EM QUMICA AREAL EDITORES 6 > 10. ANO EM REVISTA > 1ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO Massa molar A massa molar ( M) a massa de uma mole de entidades. Exprime-se geralmente em g mol - 1 e numericamente igual massa atmica relativa mdia dos elementos ou massa molecular relativa mdia das molculas quando as substncias se identificam com um elemento ou um composto molecular, respetivamente. Frao molar e frao mssica As propores relativas dos vrios elementos qumicos presentes num composto (composio quan-titativa) podem ser expressas em: Frao molar ( x) a razo entre a quantidade de matria de um constituinte e a quantidade de matria total de todos os constituintes. uma grandeza adi-mensional. xA = nA ntotal Frao mssica ( w) a razo entre a massa de um constituinte e a massa total de todos os constituintes. uma grandeza adimensional. Multiplicando a razo das massas por 100 obtm-se a percentagem mssica. wA = mA mtotal A soma das fraes molares ou das fraes mssicas dos vrios constituintes sempre igual a 1. A frao mssica e a frao molar relacionam-se pela expresso: wA = mA mtotal wA = mA mA + mB + ... wA = nA * MA ntotal nA * MA ntotal + nB * MB ntotal + ... wA = xAMA xAMA + xBMB + > xA > xA > xB > RESUMINDO Massa (m) / g Quantidade de matria (n) / mol Nmero de entidades (N) / adimensional N = n N Am = n M A massa ( m) de uma poro de matria de uma dada substncia diretamente proporcional quan-tidade de matria ( n) presente, sendo a constante de proporcionalidade a massa molar ( M) da subs-tncia em causa. m = n M Ar(H) = 1,01, logo M(H) = 1,01 g mol - 1 Mr(H 2) = 2,02, logo M(H 2) = 2,02 g mol - 1 Mr(H 2O) = 2 * Ar(H) + Ar(O) = 18,02, logo, M(H 2O) = 18,02 g mol - 1 > EXEMPLO AREAL EDITORES 7 Radiao eletromagntica O fsico ingls Isaac Newton foi o primeiro cientista a perceber que a luz branca se desdobra numa sequncia de cores idntica do arco-ris, ao atravessar um prisma de vidro. O conjunto formado pela sucesso contnua das vrias radiaes coradas obtidas pela decomposio da luz branca consti-tui o espetro visvel. A luz branca, ou luz visvel, um caso particular de radiao eletromagntica que diretamente acessvel nossa viso. No entanto, corresponde apenas a um pequeno intervalo do espetro eletro-magntico que representa o conjunto de todas as possveis radiaes eletromagnticas ordenadas pelas suas energias (comprimentos de onda ou frequncias). Espetro visvel > 10 21 Hz 10 20 Hz 10 19 Hz 10 18 Hz 10 17 Hz 10 16 Hz 10 15 Hz 10 14 Hz 10 13 Hz 10 12 Hz 10 11 Hz 10 10 Hz 10 9 Hz 10 8 Hz 10 7 Hz 10 6 Hz 10 5 Hz 10 4 Hz Ondas rdio Micro-ondas Infravermelhos (IV) Ultra--violeta (UV) Raios X Raios g > Frequncia / Hz Comprimento de onda no vazio / m 10 13 m10 12 m10 11 m10 10 m10 9 m10 8 m10 7 m10 6 m10 5 m10 4 m10 3 m10 2 m10 1 m10 0 m10 1 m10 2 m10 3 m10 4 m A frequncia ( f ) corresponde ao nmero de ciclos completos realizados pela onda em cada segundo. A luz ou a radiao eletromagntica considerada uma corrente de fotes, sendo a energia de cada foto diretamente proporcional frequncia dessa luz. Os raios gama ( g), os raios X e a radiao ultravioleta so radiaes eletromagnticas de frequncia elevada (comprimento de onda baixo), pelo que apresentam valores elevados de energia. As ondas de rdio, as micro-ondas e a radiao infravermelha so radiaes eletromagnticas de frequncia baixa (comprimento de onda elevado), pelo que apresentam valores baixos de energia. Das radiaes eletromagnticas visveis, as mais energticas situam-se na regio do azul/violeta e as menos energticas na zona do vermelho/laranja. SUBDOMNIO SUBDOMNIO SUBDOMNIO MASSA E TAMANHO DOS TOMOS # ENERGIA DOS ELETRES NOS TOMOS TABELA PERIDICA 2.1 ESPETROS CONTNUOS E DESCONTNUOS # ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO # DOMNIO AREAL EDITORES > 8 > 10. ANO EM REVISTA > 1ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO Espetros de emisso e de absoro O espetro visvel da luz branca corresponde a um espetro de emisso contnuo espetro cujas radia-es tm valores de energia que variam progressivamente e sem interrupo entre as radiaes limite do espetro, constituindo uma gama variada e contnua de radiaes. Modelo de Bohr e a quantizao da energia A radiao emitida pelo hidrognio atmico origina um espetro descontnuo, que apresenta, na regio do visvel, quatro linhas ou riscas bem definidas. > 409 433 485 655 > /nm O espetro da radiao emitida por uma substncia pode ser contnuo ou descontnuo . Por exemplo, as substncias incandescentes produzem espetros de emisso contnuos, ao passo que os gases no-bres (como o hlio, o non e o rgon) originam espetros de emisso de riscas (descontnuos). Espetro de emisso descontnuo Espetro de fundo negro onde se sobrepem riscas, que podem ser coradas se as radiaes emitidas pertencerem regio do visvel. Espetro de absoro descontnuo Espetro de fundo corado ao qual se sobrepem riscas escuras, que correspondem s radiaes que foram absorvidas. Cada elemento qumico possui o seu prprio padro de riscas espetrais, que funciona como uma espcie de impresso digital do elemento. Os espetros de absoro e de emisso de um mesmo elemento qumico so complementares ve-rifica-se que as riscas brilhantes do primeiro surgem exatamente para os mesmos valores de ener-gia que as riscas escuras do segundo. > Espetro de emisso contnuo no visvel. 2.2 INTERPRETAO DO ESPETRO DO TOMO DE HIDROGNIO O fsico dinamarqus Niels Bohr props, pela primeira vez, uma interpretao do espetro do tomo de hidrognio, usando-o para explicar a estrutura interna dos tomos. > Exemplo: espetro de emisso do hlio. Exemplo: espetro de absoro do hlio. AREAL EDITORES 9 > 10. ANO EM REVISTA > 2ENERGIA DOS ELETRES NOS TOMOS Ncleo n=5 n=4n=3n=2n=1 + n = 5 n = ? n = 4 n = 3 2,18 * 10 18 5,45 * 10 19 2,42 * 10 19 Estados excitados Estado fundamental E /J n = 2 n = 1 Modelo atmico de Bohr. Valores permitidos para a energia do eletro do tomo de hidrognio. Segundo o modelo de Bohr : O eletro s pode ser encontrado em determinadas rbitas, ou seja, movimenta-se em torno do ncleo, descrevendo rbitas fixas. A cada uma dessas rbitas est associado um determinado valor de energia. Diz-se, por isso, que a energia dos eletres quantizada. Por conveno, um eletro livre um eletro infinitamente afastado do ncleo, com energia igual a zero. Como consequncia, a energia do eletro no tomo negativa, dado que o eletro mais estvel quando est sob a ao das foras do ncleo. A energia dos nveis energticos que o eletro pode ocupar vai aumentando medida que o ele-tro se afasta do ncleo, sendo, no entanto, cada vez menor a diferena de energia entre dois n-veis consecutivos. O nvel eletrnico de mais baixa energia ( n = 1) designado por estado fundamental e o mais estvel. A todos os outros d-se o nome de estados excitados, pois tm uma energia superior do estado fundamental. Enquanto o eletro permanece (em movimento) numa determinada rbita, no absorve nem emite energia. No caso de absorver ou emitir uma quantidade discreta de energia, o eletro pode passar de uma rbita para outra. A energia do eletro no tomo quantizada e as transies de eletres entre nveis s se do por absoro ou emisso de energias bem definidas, assim: Em qualquer dos casos, Erad = |DE|. As riscas observadas no espetro de emisso do tomo de hidrognio correspondem, ento, s radia-es emitidas quando o eletro transita de um nvel para outro de menor energia. + n = 3 n = 3 n = 2 n = 2 n = 1 n = 1 Energia e Ncleo e DE = Enf - Eni Na absoro DE > 0 + n = 3 n = 3 n = 2 n = 2 n = 1 n = 1 Energia e Ncleo e DE = Enf - Eni Na emisso DE < 0AREAL EDITORES 10 > 10. ANO EM REVISTA > 1ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO > Fora de repulso Protes Protes Fora de atrao Protes Eletres Eletres Eletres Fora de repulso Cargas do mesmo sinal repelem-se e cargas de sinais contrrios atraem-se. O efeito destas atraes e repulses influencia a energia do eletro no tomo, o que leva a que os eletres se distribuam por nveis de energia distintos em tomos de diferentes elementos, confe-rindo ao tomo de um elemento uma estrutura eletrnica nica. Sries espetrais do tomo de hidrognio Uma srie espetral um conjunto de riscas resultantes das transies do eletro de diferentes esta-dos eletrnicos excitados para o mesmo estado final, excitado ou no. Sries espetrais do tomo de hidrognio: srie de Lyman - transies eletrnicas de n 2 para n = 1 correspondentes emisso de radiao ultravioleta. srie de Balmer - transies eletrnicas de n 3 para n = 2 correspondentes emisso de radiao no ultravioleta (fraca intensidade) e no visvel. sries de Paschen , Brackett e Pfund correspondem emisso de radiao infravermelha e refe-rem-se s transies eletrnicas de nveis superiores para os nveis 3, 4 e 5, respetivamente. > Energia /J Lyman Balmer Paschen n = 5 n = 4 n = 3 n = 2 n = 1 100 200 500 1000 2000 /nm 0 8,72 * 10 20 J 1,36 * 10 19 J 2,42 * 10 19 J 5,45 * 10 19 J 2,18 * 10 18 J A estrutura eletrnica dos tomos com mais de um eletro bem mais complexa que a do tomo de hidrognio, devido s interaes que surgem entre os vrios eletres e entre estes e o ncleo. A energia dos eletres nos tomos inclui o efeito das atraes entre os eletres e o ncleo (por as suas cargas serem de sinais contrrios) e das repulses entre os eletres (por as suas cargas serem do mesmo sinal). Para as transies entre os mesmos nveis de energia, a energia da radiao emitida igual energia da radiao absorvida. Eradiao emitida n 4 " n2 = Eradiao absorvida n 2 " n4 > EXEMPLO 2.3 ENERGIA DE REMOO ELETRNICA A espetroscopia de absoro atmica (EAA) uma tcnica de anlise qumica que faz uso da absor-o de radiao por tomos livres no estado gasoso para proceder determinao qualitativa e quan-titativa de um grande nmero de elementos qumicos (por exemplo, identificao de elementos qumicos nas estrelas ou determinao de quantidades vestigiais em qumica forense). AREAL EDITORES 11 > 10. ANO EM REVISTA Espetros obtidos por espetroscopia fotoeletrnica Observam-se dois picos (que correspondem a dois valores diferentes de energia de remoo), logo, os trs eletres do ltio, no estado fundamental distribuem-se por dois nveis de energia (o 1. pico corresponde ao 1. nvel de energia e o 2. pico ao 2. nvel de energia). Como a altura do pico corresponde ao nmero relativo de eletres em cada nvel de energia tambm possvel concluir que o primeiro nvel de energia comporta mais eletres dois eletres que o nvel de energia seguinte que comporta um eletro. > 2ENERGIA DOS ELETRES NOS TOMOS Eremoo eletrnica mnima Eremoo eletrnica mxima Erem /(... * 10 18 J) 2,45 1,40 39,6 Valores das energias de remoo eletrnica para um tomo polieletrnico. Que informaes se podem obter a partir de espetros fotoeletrnicos? Os espetros fotoeletrnicos obtidos por espetroscopia fotoeletrnica permitem determinar as ener-gias relativas dos subnveis eletrnicos ocupados, assim como os nmeros relativos de eletres em cada subnvel, por anlise dos picos: a posio indica os valores da energia de remoo eletrnica; a altura proporcional ao nmero de eletres em cada nvel ou subnvel de energia. EXEMPLOS > 20 17,5 15 12,5 10 7,5 52,5 0N. relativo de eletres Energia de remoo / MJ mol 1 > Ltio Para se conhecer a energia de cada eletro num tomo recorre-se tcnica de espetroscopia fotoele-trnica , que permite calcular os valores das energias de remoo dos diferentes eletres valor m-nimo de energia necessrio para provocar a ejeo de qualquer um dos eletres do tomo e que simtrica da energia do eletro no tomo. Eremoo eletrnica = - Eeletro no tomo Quanto menor o valor da energia de remoo, maior o valor da energia do eletro no tomo, o que indica que ele pertence a um nvel de energia superior, isto , mais afastado do ncleo. Ao invs, os eletres mais internos apresentam maiores valores de energia de remoo. > Elemento Li > N. de eletres 32 nveis de energia AREAL EDITORES 12 > 10. ANO EM REVISTA > 1ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO A anlise dos espetros fotoeletrnicos dos diferentes elementos permite concluir que: o primeiro nvel de energia, exceo do hidrognio, sempre ocupado com dois eletres; no segundo nvel de energia podem existir, no mximo, oito eletres, distribudos por dois subnveis, em que o primeiro pode comportar dois eletres e o segundo subnvel seis; tomos de elementos qumicos diferentes apresentam valores diferentes para a energia dos eletres no mesmo subnvel de energia: a energia de um subnvel tanto menor quanto maior for a carga nuclear pois maior a intensidade da fora atrativa exercida pelo ncleo, sendo maior o valor da ener-gia de remoo eletrnica dos eletres que ocupam esse subnvel; considerando que um nvel que no se encontre desdobrado em subnveis contm um nico subn-vel, ento o nmero de subnveis de energia total ou parcialmente preenchidos num tomo coincide com o nmero de valores de energias de remoo eletrnica para esse tomo. Orbitais e nveis de energia Apesar de o modelo de Bohr explicar satisfatoriamente o espetro do tomo de hidrognio, com base na quantifica-o da energia eletrnica, no permitia interpretar os da-dos obtidos para os outros cerca de noventa elementos qumicos que surgem na Natureza. O modelo atualmente aceite para o tomo o modelo quntico . Nuvem eletrnica ba Probabilidade 2.4 MODELO QUNTICO DO TOMO Dados de espetroscopia fotoeletrnica para os elementos qumicos de nmero atmico 1 at 12, em MJ mol - 1Elemento 1H 2He 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10 Ne 11 Na 12 Mg 1. pico 1,31 2,37 6,26 11,5 19,3 28,6 39,6 52,6 67,2 84,0 104 131 2. pico 0,52 0,90 1,36 1,72 2,45 3,12 3,88 4,68 6,84 9,40 3. pico 0,80 1,09 1,40 1,31 1,68 2,08 3,67 5,50 4. pico 0,50 0,70 Observam-se trs picos (correspondentes a trs valores de energia de remoo). A diferena de energia muito maior do primeiro pico para o segundo do que do segundo pico para o terceiro, o que pressupe a existncia de dois nveis de energia com o 2. nvel desdobrado em dois subnveis. Como os dois primeiros picos tm uma altura igual enquanto o ltimo pico tem cerca de metade da altura dos anteriores, conclui-se que os cinco eletres do boro se distribuem da seguinte forma: dois eletres de-vem ocupar o 1. nvel de energia; outros dois eletres devem ocupar o subnvel de menor energia do 2. nvel e um eletro deve ocupar o subnvel de maior energia do 2. nvel. > 20 17,5 15 12,5 10 7,5 52,5 0 > Boro > N. relativo > de eletres Energia de remoo / MJ mol 1 > Elemento B > N. de eletres 52 nveis de energia, com o segundo nvel desdobrado em 2 subnveis AREAL EDITORES > 13 > 10. ANO EM REVISTA > 2ENERGIA DOS ELETRES NOS TOMOS > SNNS > Movimento de rotao eletrnica ( spin ). Como estabelecer as configuraes eletrnicas dos tomos? Para se obter a configurao eletrnica do estado fundamental dos tomos deve aplicar-se: O Princpio de Excluso de Pauli, de acordo com o qual cada orbital s pode ser ocupada, no mximo, por dois eletres, emparelhados, isto , com spins opostos. Em tomos polieletrnicos todas as orbitais de um mesmo subnvel np , ou nd , tm exatamente a mesma energia e so designadas orbitais degeneradas . Por exemplo, o conjunto das trs orbitais p,em cada nvel de energia, que comportam no mximo seis eletres com um nico valor de energia de remoo, tm igual energia. O tamanho das orbitais s, p e d aumenta com o aumento do nvel de energia preenchido. Spin eltrnico O spin eletrnico uma propriedade quantizada do eletro, alm da sua massa e carga, que permite dois estados diferentes. Est relacionado com os dois movimentos de rotao eletrnicos possveis, um no sentido dos ponteiros do relgio e outro no sentido contrrio ao dos ponteiros do relgio. > Orbitais sOrbitais pOrbitais d As orbitais s,uma por nvel de energia, apresentam simetria esfrica. As orbitais p (px, py e pz), trs por nvel de energia, apresentam dois lbulos simtricos, tendo o ncleo como centro. As orbitais d (dxy , dyz , dxz , dx2 y2 e dz2), cinco por nvel de energia, apresentam uma forma mais complexa. > pxpypz > z > yxzyxzyxzzyyxxzyxzzyyxx > dyz dxy dz2dxz dx2y2 De acordo com o modelo quntico, a nuvem eletrnica representa a distribuio da densidade dos eletres volta do ncleo atmico, correspondendo as regies mais densas a maior probabilidade de a encontrar eletres. Verifica-se que h uma elevada probabilidade de o eletro se encontrar perto do ncleo. A orbital atmica a funo de onda que representa a distribuio no espao de um eletro no modelo quntico do tomo. AREAL EDITORES 14 > 10. ANO EM REVISTA > 1ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO Distribuio eletrnica mais favorvel para o tomo de carbono O carbono possui quatro eletres de valncia - eletres do ltimo nvel de energia. EXEMPLO 2p 2s 1s 6 C 2p 2s 1s A distribuio dos eletres pelas orbitais atmicas pode ser apresentada de diversas formas: Configurao eletrnica Exemplo Escrita das orbitais realizada por ordem crescente de energia e o nmero de eletres, em cada subnvel figura como expoente. Mg - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2Representao abreviada ou concisa, em que o cerne do tomo representado pelo gs nobre imediatamente anterior, entre parntesis retos, evidenciando-se depois os eletres mais externos que determinam as suas propriedades. Mg - [Ne] 3s 2Representao das orbitais como caixas e os eletres que as ocupam como setas orientadas para cima ou para baixo. Os sentidos opostos das setas traduzem o facto de os eletres de uma orbital possurem diferentes estados de spin .Num diagrama de energias das orbitais, com a vantagem de se poder visualizar a diferena de energia que existe entre os diversos nveis e subnveis eletrnicos para o tomo em causa. 2p 2s 3s 1s 12 Mg 4s 3p 3s 2p 2s 1s > Energia > 20 Ca 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 EXEMPLO A Regra de Hund - a distribuio mais favorvel dos eletres por orbitais degeneradas aquela que conduz obteno do nmero mximo de spins paralelos. n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 4f 5f 6d O Princpio de Construo ou de Aufbau, segundo o qual os eletres se distribuem pelas orbitais por ordem crescente de energia. AREAL EDITORES 15 A Tabela Peridica um esquema de organizao de informao sobre os elementos qumicos e as respetivas substncias elementares. A sua elaborao teve o contributo de vrios cientistas. 3.1 EVOLUO HISTRICA DA TABELA PERIDICA SUBDOMNIO SUBDOMNIO SUBDOMNIO MASSA E TAMANHO DOS TOMOS ENERGIA DOS ELETRES NOS TOMOS # TABELA PERIDICA A ltima grande modificao da Tabela Peridica comeou com o trabalho do qumico norte-americano Glenn Seaborg e envolveu a descoberta dos elementos com nmero atmico superior a 92. Com Moseley , a Lei Peridica passou a referir que, quando os elementos so agrupados por ordem crescente de nmero atmico (Z), se observa a repetio peridica de vrias propriedades. Chancourtois organizou os elementos por ordem crescente de massas atmicas, colocando-os sobre uma linha helicoidal, onde se observava uma certa periodicidade dos elementos que ficavam dispostos na mesma coluna Parafuso Telrico de Chancourtois. Mendeleev organizou uma tabela onde colocou os elementos por ordem crescente do nmero de massa (regra pontualmente desrespeitada), onde os elementos com propriedades semelhantes se localizavam na mesma coluna Lei Peridica de Mendeleev. Dbereiner organizou os elementos em conjuntos de trs com propriedades semelhantes e por ordem crescente de massas atmicas Lei das Trades de Dbereiner. Newlands organizou os elementos numa tabela obedecendo a uma sequncia de ordem crescente de massas atmicas, tendo verificado que as propriedades se repetiam a cada oito elementos, ficando todos localizados na mesma coluna Lei das Oitavas de Newlands. Lavoisier agrupou as substncias ento conhecidas em quatro categorias: gases, no metais, metais e elementos terrosos. Antoine Lavoisier (1743-1794) Johann Dbereiner (1780-1849) Alexandre Chancourtois (1820-1886) John Newlands (1837-1898) Dmitri Mendeleev (1834-1907) Moseley (1887-1915) Glenn Seaborg (1912-1999) Li Ar = 7 Na Ar = 23 K Ar = 39 Be Ar = 9 Mg Ar = 24 Ca Ar = 40 CL Ar = 35 Br Ar = 80 I Ar = 127 > Li Be BCNOFHNa Mg Al Si PSCl KCa Cr Ti Mn Fe Co, Ni Cu Zn YIn As Se Br Rb Sr La, Ce Zr Nb, Mo Ru, Rh Pd Ag Cd USn Sb Te ICs Ba, V # ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO # DOMNIO AREAL EDITORES 16 > 10. ANO EM REVISTA > 1ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO Como est organizada a Tabela Peridica? Na Tabela Peridica atual, os elementos encontram-se dispostos por ordem crescente de nmero atmico, ao longo de 7 perodos e 18 grupos .Os elementos da Tabela Peridica so tambm divididos por uma linha quebrada, de acordo com as suas propriedades fsicas, em metais, no metais e semimetais, conforme se encontram, respetiva-mente, esquerda, direita ou junto a essa linha. > Elementos representativos Elementos de transio interna Elementos de transio Lantandeos* Metais No metais Semimetais Actindeos** Gases nobres *** > 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 1 > H218 13 14 15 16 17 345678910 11 12 > Metais alcalinos Metais alcalinoterrosos Calcogneos Halogneos Gases nobres Os elementos da Tabela Peridica podem ainda ser agrupados em quatro blocos , s, p, d e f, de acordo com o tipo de orbital que se encontra em preenchimento. > 118 213 14 15 16 17 345678910 11 12 > 1s > Bloco s > Bloco f > Bloco p > Bloco d > 1s > 2s > 3s > 4s > 5s > 6s > 7s > 2p > 3p > 4p > 5p > 6p > 7p > 3d > 4d > 5d > 6d > La Ac 4f > 5f > 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Os elementos dos blocos s e p, depois de retirado o grupo dos gases nobres, so designados elemen-tos representativos; os elementos do bloco d so os elementos de transio e os do bloco f so os ele-mentos de transio interna. Tabela Peridica e configurao eletrnica dos elementos A posio dos elementos na Tabela Peridica est relacionada com a sua configurao eletrnica: o perodo coincide com o nmero do maior nvel de energia preenchido ou em preenchimento; o grupo , para os elementos representativos e gases nobres igual ao nmero de eletres de valn-cia (exceto nos grupos 13 a 18, em que se deve somar 10 para obter o grupo). O sdio, com configurao eletrnica 11 Na: 1s 2 2s 2 2p 6 s3 1 EXEMPLO Pertence ao 3. perodo, pois o maior nvel de energia 3 Pertence ao grupo 1, pois possui 1 eletro de valncia 3.2 ORGANIZAO DA TABELA PERIDICA A Tabela Peridica constitui um instrumento de trabalho dos qumicos, fonte de variada informao, onde se incluem as propriedades dos elementos, como o raio atmico e a energia de ionizao, e as propriedades das suas substncias elementares, como o estado fsico, a densidade ou o ponto de fuso e de ebulio .As substncias elementares associadas a elementos de um mesmo grupo tm propriedades qumicas muito semelhantes, uma vez que estas propriedades esto relacionadas com os eletres de valncia. AREAL EDITORES > 17 > 10. ANO EM REVISTA > 3TABELA PERIDICA RAIO ATMICO a distncia mdia entre o centro do ncleo e os eletres que se situam na camada mais afas-tada do prprio ncleo. ENERGIA DE IONIZAO a energia mnima necessria para remover um eletro de um tomo neutro isolado (meio gasoso e baixa presso) no estado fundamental, para uma distncia tal que deixe de existir inte-rao eletrosttica entre o io e o eletro. Os valores das energias de ionizao so, mui-tas vezes, expressos em kJ mol - 1, o que corres-ponde energia necessria para remover uma mole de eletres a uma mole de tomos seme-lhantes. Ao longo do grupo, o raio atmico aumenta devido ao aumento do nmero de nveis de energia preenchidos. Apesar de haver um au-mento da carga nuclear, predomina o fator afastamento devido ao aumento do nmero de nveis, pelo que os eletres de valncia se encontram cada vez mais afastados do ncleo. Ao longo do grupo prevalece o efeito do au-mento do nmero de nveis de energia preen-chidos, estando os eletres de valncia cada vez mais afastados do ncleo. Assim, ao longo do grupo, medida que au-menta o afastamento ao ncleo (aumenta o raio atmico) diminui a energia de ionizao ,pois cada vez menor a energia necessria remoo dos eletres de valncia. Ao longo do perodo, de uma maneira geral, o raio atmico diminui , pois, medida que au-menta a carga nuclear, aumenta a fora atra-tiva entre o ncleo e a nuvem eletrnica, ocor-rendo uma contrao da nuvem eletrnica. Apesar de haver um aumento do nmero de eletres de valncia, que se repelem entre si, predomina o fator de atrao ao ncleo. Ao longo do perodo , o nmero de nveis de energia o mesmo, pelo que prevalece, geral-mente, o efeito do aumento da carga nuclear. medida que aumenta a carga nuclear, au-menta a atrao ao ncleo (diminui o raio atmico) e, de uma maneira geral, aumenta a energia necessria para remover os eletres de valncia, ou seja, aumenta a energia de ionizao .Relacionando as duas propriedades, pode concluir-se que, medida que aumenta o raio atmico diminui a energia de ionizao. > 1,22 10 18 J > Mg Mg + +e X(g) + Ei " X+(g) + e- > dr = d > 2 > Diminuio do raio atmico Aumento do raio atmico Aumento da energia de ionizao Diminuio da energia de ionizao A qualquer tomo podem ser retirados, um a um, todos os seus eletres. As energias de ionizao devem ser cada vez maiores pois, como diminui o nmero de eletres, as foras repulsivas entre os eletres diminuem, prevalecendo as foras atrativas exercidas pelo ncleo, que se tornam cada vez mais significativas. Ei1 < Ei2 < Ei3 < 3.3 PROPRIEDADES PERIDICAS DOS ELEMENTOS REPRESENTATIVOS > QUI11AEP_REV-02 18 > 10. ANO EM REVISTA > AREAL EDITORES > 1ELEMENTOS QUMICOS E SUA ORGANIZAO Como reagem quimicamente os tomos de elementos metlicos e no metlicos? Os tomos dos elementos qumicos tm tendncia a reagir quimicamente, de modo a adquirirem a configurao eletrnica dos elementos do grupo 18, os gases nobres, que possuem 8 eletres na camada de valncia (com exceo do hlio, que apenas apresenta 2): Os metais , que possuem baixos valores de energia de ionizao, tm tendncia a perder os seus eletres de valncia , formando caties , adquirindo a estrutura eletrnica do gs nobre do perodo anterior. So tanto mais reativos quanto maior a facilidade em perder esses eletres de valncia; Os no metais , que possuem altos valores de energia de ionizao e um nmero de eletres de va-lncia prximo de oito, tm tendncia a captar eletres, formando anies , de modo a ficarem com a configurao eletrnica igual do gs nobre que lhes segue na Tabela Peridica; Os gases nobres possuem os maiores valores de energia de ionizao, entre os elementos do mesmo perodo, devido sua elevada estabilidade eletrnica , tambm responsvel pela sua inrcia qumica. > 13411 12 19 20 37 38 55 56 87 88 > HLi Be Na Mg KCa Rb Sr Cs Ba Fr Ra > 1 > 2 > 2 e > X2+ e > X+X+917 35 53 10 18 36 54 2 > FCL > Br INe He Ar Kr Xe > 18 17 > e Os elementos do grupo 1 tm grande tendncia a perder o seu nico eletro de valncia, transformando-se em ies monopositivos (caties monovalentes). Os elementos do grupo 2 tm tendncia a perder os seus dois eletres de valncia transformando-se em ies dipositivos (caties divalentes). Os elementos do grupo 17 , com sete eletres de valncia, tm tendncia a captar um eletro, transformando-se em ies mononegativos (anies monovalentes). Os gases nobres (grupo 18) apresentam as orbitais de valncia s e p completamente preenchidas, com exceo do hlio que apresenta apenas a orbital s, o que lhes confere grande estabilidade e, portanto, baixa reatividade . Raio inico e raio atmico Na Tabela Peridica, o raio inico, aumenta ao longo de um grupo tal como o raio atmico. Os caties apresentam raios menores do que os respetivos tomos. Os anies apresentam raios maiores do que os respetivos tomos. tomo-C L 99 pm Anio-C L181 pm e > 11 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 111 Na + 1s 2 2s 2 2p 6tomo-Na 186 pm Catio-Na +98 pm +e > 17 C 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 517 C 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 O que so partculas isoeletrnicas? Partculas isoeletrnicas so tomos e ies com o mesmo nmero de eletres e, portanto, com a mesma configurao eletrnica. Na comparao do raio das partculas isoeletrnicas, o efeito predo-minante o aumento da carga nuclear (aumento do nmero atmico), aumentando a atrao entre o ncleo e os eletres. Por isso, quando se comparam partculas isoeletrnicas, quanto maior for a carga nuclear menor ser o raio inico. 3.4 FORMAO DE IES E REATIVIDADE DE ELEMENTOS QUMICOS AREAL EDITORES 19 Regra do octeto e notao de Lewis Gilbert Lewis e Walter Kossel propuseram, de forma independente, uma explicao lgica para entender a formao dos compostos, com base na configurao eletrnica dos gases nobres. Regra do octeto de Lewis refere que um tomo alcanar uma estabilidade equivalente de um gs nobre quando o seu ltimo nvel de energia possuir oito eletres (ou dois caso se trate do nvel um). Os tomos com configurao eletrnica distinta da dos gases nobres unem-se uns aos outros de forma a ceder, captar ou partilhar eletres e adquirir a configurao desses gases. Apenas os eletres de valncia participam nas ligaes qumicas. Notao de Lewis - nome pelo qual conhecida a estrutura ponto/eletro de Lewis para um ele-mento. constituda pelo smbolo do elemento rodeado por um ponto por cada eletro de valncia desse elemento, sendo os quatro primeiros colocados em cada um dos quatro lados do smbolo, enquanto os restantes so tambm distribudos pelos quatro lados na condio de cada um dos lados acomodar at dois pontos. SUBDOMNIO SUBDOMNIO SUBDOMNIO # LIGAO QUMICA GASES E DISPERSES TRANSFORMAES QUMICAS Kr Ar Ne Br CL FSe SOAs PNGe Si CGa Metal Semimetal No metal Al BHe KNa Li Ca Mg Be H 12 13 14 15 16 17 18 Notao de Lewis para os elementos dos blocos s e p at ao 4. perodo da Tabela Peridica. 1.1 TIPOS DE LIGAES QUMICAS # PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA # DOMNIO AREAL EDITORES 20 > 10. ANO EM REVISTA Tipos de ligaes Uma ligao qumica resulta da unio de tomos, por interaes que decorrem da cedncia, captao ou partilha de eletres e que lhes permite adquirir maior estabilidade em consequncia, muitas das vezes, de um octeto de eletres completo. Essa estabilidade resulta da menor energia adquirida pelo conjunto de tomos ligados comparativamente com a energia desses tomos separados. Ligao inica - ligao qumica que decorre da atrao eletrosttica entre caties e anies resultan-tes da cedncia e captao de eletres entre tomos de metais e no metais, respetivamente; Ligao covalente - ligao que decorre da partilha de eletres entre tomos de elementos de no metais e/ou semimetais; Ligao metlica - ligao qumica que resulta de uma rede de ies metlicos positivos imersos num mar de eletres de valncia deslocalizados partilhados por todos os tomos. Os mapas de densidade eletrnica das molculas mostram uma maior probabilidade de encontrar os eletres na zona internuclear, o que comprova a partilha localizada de eletres pelos tomos unidos. A ligao covalente resulta de um equilbrio entre as interaes eletrostticas atrativas existentes entre os ncleos e os eletres e as interaes eletrostticas repulsivas existentes entre ncleos e entre eletres. > Energia de ligao > Comprimento mdio da ligao 436 74 0Energia potencial / kJ mol 1 Distncia internuclear / pm > 4321 Da anlise do diagrama de energia potencial para o hidrognio, verifica-se que: na posio 1 , os tomos esto muito distan-tes um do outro, ainda no h interao entre eles, considerando-se que a energia total do sistema zero; na posio 2 , com a aproximao dos to-mos, as interaes tornam-se significativas predominando as atraes entre os eletres e as cargas positivas de ambos os ncleos. As nuvens eletrnicas comeam a sobrepor--se levando a uma diminuio da energia da molcula. Como as atraes predominam, a sobreposio das nuvens eletrnicas aumenta e a energia continua a diminuir; o ponto mnimo da curva, posio 3 , a distncia internuclear para a qual a molcula mais est-vel, havendo um equilbrio entre as interaes atrativas e repulsivas. Considera-se que est estabe-lecida a ligao covalente, sendo mnima a energia da molcula nesse ponto; para distncias ainda menores, posio 4 , os ncleos aproximam-se o suficiente para que a repul-so entre as suas cargas positivas se torne significativa levando ao aumento da energia da molcula. A curtas distncias h, assim, um predomnio das interaes repulsivas que leva ao afastamento dos tomos novamente para a posio de equilbrio. 1.2 LIGAO COVALENTE > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA > Foras repulsivas (entre ncleos) Foras repulsivas (entre eletres) Ncleo Nuvem eletrnica Ncleo Nuvem eletrnica Forasatrativas(ncleo/eletro)AREAL EDITORES 21 > 10. ANO EM REVISTA > 1LIGAO QUMICA Estruturas de Lewis Molcula Hidrognio Os tomos partilham um par de eletres: diz-se que se estabelece uma ligao covalente simples ordem de ligao 1. Oxignio Os tomos partilham dois pares de eletres, representados por quatro pontos ou por dois traos entre os smbolos dos tomos ligados: diz-se que se estabelece uma ligao covalente dupla ordem de ligao 2. Cada tomo possui dois pares de eletres ligantes e dois pares de eletres no ligantes .Nitrognio Os tomos partilham trs pares de eletres estabelecendo-se, nesse caso, uma ligao covalente tripla ordem de ligao 3. Como cada tomo de nitrognio possui cinco eletres de valncia, partilha trs eletres com o tomo vizinho para completar o octeto de eletres, havendo, no total, uma partilha de seis eletres. A molcula fica, ento, com dois pares de eletres no ligantes , um por cada tomo de nitrognio, e trs pares de eletres ligantes .gua O tomo de oxignio partilha dois dos seus eletres, um com cada tomo de hidrognio, formando duas ligaes covalentes simples. Amonaco O tomo de nitrognio adquire uma configurao eletrnica semelhante ao non, ao estabelecer trs ligaes covalentes simples com os tomos de hidrognio. Metano O tomo de carbono partilha quatro eletres para completar o octeto, formando quatro ligaes covalentes simples com quatro tomos de hidrognio. Dixido de carbono O tomo de carbono partilha os quatro eletres com os dois tomos de oxignio, atravs de duas ligaes covalentes duplas, ficando os trs tomos com o octeto de eletres completo. Estrutura de Lewis A estrutura de Lewis de uma molcula representa uma disposio dos eletres ligantes e no ligan-tes em torno do smbolo de cada tomo dessa mesma molcula. Os eletres ligantes so os eletres partilhados e so representados por pontos ou traos entre os smbolos dos tomos ligados. Os ele-tres no ligantes so os eletres isolados ou no compartilhados e so representados por pontos junto ao smbolo do tomo a que esto associados. EXEMPLOS > Hou H H H > NHH Hou NHHH > CHH HHou CHHHH > OCO Uma ligao covalente pode ser simples, dupla ou tripla , dependendo se resulta da partilha de um, dois ou trs pares de eletres de valncia entre os tomos unidos pela ligao, respetivamente. O nmero de traos entre os smbolos dos tomos ligados igual multiplicidade da ligao cova-lente e ordem de ligao. > OHH ou > H > HO > OOO O ou > NNNNou EXEMPLO > FF Par de eletres ligantes Pares de eletres no ligantes 22 > 10. ANO EM REVISTA > AREAL EDITORES > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA Comprimento de ligao e energia de ligao O comprimento de ligao a distncia mdia entre os ncleos de dois tomos ligados numa mol-cula. Numa molcula diatmica, a essa distncia internuclear corresponde o mnimo de energia e a mxima estabilidade da molcula. O comprimento de ligao entre dois tomos diminui medida que aumenta a ordem de ligao. De uma maneira geral, o comprimento da li-gao aumenta medida que aumenta o raio dos tomos envolvidos. > 117 pm 117 pm > OOC > 114 pm > OC > Comprimento da ligao CO nas molculas de dixido de carbono (CO 2) e monxido de carbono (CO). Comprimento da ligao nas molculas cloreto de hidrognio (HC ) e brometo de hidrognio (HBr). > 127 pm > HCL > 141 pm > HBr A energia de dissociao de ligao , ou energia de ligao , definida como a energia necessria para quebrar uma dada ligao numa mole de molculas no estado gasoso. A energia de ligao varia inversamente com o comprimento de ligao pois, quanto mais afasta-dos estiverem os tomos, menor ser a energia requerida para romper a ligao. Em molculas diatmicas com ligaes entre tomos de dimenses semelhantes, quanto maior a ordem de ligao, mais forte a ligao e, consequentemente, maior a energia de ligao e menor o comprimento de ligao. > Ligao > Ordem Fora Energia Comprimento > Geometria molecular Alm dos dois parmetros referidos (comprimento de ligao e energia de ligao), que ajudam a caracterizar as ligaes entre os tomos, as propriedades fsicas e qumicas de uma molcula depen-dem fortemente do arranjo tridimensional dos seus tomos, ou seja, da sua geometria molecular. Segundo o Modelo de Repulso dos Pares Eletrnicos da Camada de Valncia (VSEPR): os pares de eletres de valncia existentes ao redor do tomo central, quer se tratem de eletres ligantes ou no ligantes, organizam-se de forma a estabilizar a molcula minimizando as repulses eletrostticas entre esses pares de eletres. Para aplicar o modelo VSEPR devem aplicar-se algumas regras: 1. Representar a estrutura de Lewis da molcula. 2. Contar o nmero de pares eletrnicos em torno do tomo central (nesta contagem deve atender--se aos pares de eletres ligantes e no ligantes, sendo as ligaes mltiplas tratadas como liga-es simples; por conseguinte, o nmero de tomos ligados igual ao nmero de pares de ele-tres ligantes). 3. Selecionar o arranjo espacial dos pares eletrnicos que garante o mximo afastamento entre eles. 4. Identificar a geometria molecular considerando apenas o nmero de tomos unidos ao tomo central. 1.3 GEOMETRIA E POLARIDADE DAS MOLCULAS AREAL EDITORES 23 > 10. ANO EM REVISTA > 1LIGAO QUMICA ngulo de ligao O ngulo de ligao o menor ngulo formado pelos dois segmentos de reta que passam pelo centro do ncleo do tomo central e pelos centros dos ncleos de dois tomos a ele ligados. Para cada geometria molecular verifica-se que: Na geometria linear o ngulo de ligao 180 ; Na geometria triangular plana o ngulo de ligao 120 ; Nas geometrias que resultam de um arranjo espacial tetradrico, como a tetradrica , a piramidal trigonal ou a angular , o ngulo de ligao tem um valor igual ou prximo de 109,5: - o ngulo de ligao na geometria piramidal trigonal (molcula de NH 3: 107,3) menor do que na geometria tetradrica (molcula de metano: 109,5), porque o par de eletres no ligantes repele os trs pares de eletres ligantes, aproximando as ligaes NH. - o ngulo da ligao ainda menor na geometria angular (molcula de gua: 104,5) porque, em vez de um, h dois pares de eletres no ligantes que, por efeito da sua mtua repulso, vo exercer uma maior repulso sobre os pares de eletres ligantes, aproximando ainda mais as liga-es OH. Geometrias moleculares em funo dos pares eletrnicos em torno do tomo central e do nmero de tomos ligados ao tomo central Nmeros pares eletrnicos em torno do tomo central Arranjo espacial dos pares eletrnicos Geometria molecular Exemplo Ligantes No ligantes Total 2 0 2 CO O O C O > 180 CO 23 0 3 > HH > HBBHHH > 120 BH 34 0 4 HHCHH 109,5 > HCHHH CH 43 1 4 > NHHH > NHHH > 107,3 NH 32 2 4 H H > OOHH104,5 H2OLinear Linear Triangular plana Triangular plana Tetradrica Tetradrica Tetradrica Tetradrica Piramidal trigonal Angular > 109,5 > HCHHH NHHH > 107,3 > Mdia repulso Menor repulso OH H > 104,5 > Maior repulso Mdia repulso Menor repulso Variao do ngulo de ligao com o nmero de pares no ligantes em torno do tomo central com quatro pares eletrnicos. 24 > 10. ANO EM REVISTA > AREAL EDITORES > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA Polaridade das ligaes e polaridade das molculas Ligao covalente apolar ligao covalente em que os eletres ligantes so igualmente partilhados pelos tomos unidos. A ligao covalente numa molcula diatmica homonuclear , isto , formada por dois tomos do mesmo elemento, apolar .Ligao covalente polar ligao covalente em que um dos tomos atrai mais para si os eletres li-gantes. A ligao covalente numa molcula diatmica heteronuclear , isto , formada por dois tomos de elementos diferentes, polar . Essa polaridade deve-se diferente atrao dos eletres ligantes ao ncleo dos dois tomos envolvidos na ligao, o que conduz a uma densidade eletrnica diferente em torno dos tomos envolvidos na ligao. Polaridade das molculas Mapa de potencial eletrosttico > *As zonas vermelhas e azuis representam zonas de alta e de baixa densidade eletrnica, respetivamente. Molculas diatmicas com ligao covalente apolar so molculas apolares (exemplo: H 2). Molculas diatmicas com ligao covalente polar so molculas polares (exemplo: HF). Molculas como o dixido de carbono (CO 2) ou o metano (CH 4), que possuem os tomos das extremidades todos iguais e no possuem pares no ligantes no tomo central, so apolares apesar de possurem ligaes polares pois, a geometria linear e tetradrica que apresentam, proporciona uma distribuio simtrica da carga eltrica em relao ao centro da molcula. Molculas com ligaes polares e pares de eletres no ligantes no tomo central , como o amonaco (NH 3)ou a gua (H 2O), so polares porque as geometrias piramidal trigonal e angular que minimizam as repulses eletrnicas conduzem a uma assimetria na distribuio da carga eltrica. > HH > HF > OOC > HHCHH H HNH > OHHAREAL EDITORES 25 > 10. ANO EM REVISTA > 1LIGAO QUMICA Hidrocarbonetos Hidrocarbonetos so compostos formados exclusivamente por carbono e hidrognio e podem ser classificados: quanto forma da cadeia: se for uma cadeia carbonada aberta ser um hidrocarboneto acclico , se for uma cadeia carbonada fechada ser um hidrocarboneto cclico ; > Hidrocarboneto acclico > CHH CHH C HH C HH C HH H HCHHCHCHHCHHH CHH > Hidrocarboneto cclico Frmula de estrutura e modelo 3D de hidrocarbonetos de cadeia aberta e de cadeia fechada. quanto disposio dos tomos: se existe uma nica cadeia de carbonos ser um hidrocarboneto linear ou normal . Mas se, para alm da cadeia principal de carbonos, se identificam outras cadeias secundrias ser um hidrocarboneto ramificado ; > CHH CHH C HH H H > Hidrocarboneto > linear > CHH CHCH C HHHH H H > Hidrocarboneto > ramificado > Frmula de estrutura e modelo 3D de hidrocarbonetos linear e ramificado. quanto ao tipo de ligaes: se possui apenas ligaes simples entre os tomos de carbono ser um hidrocarboneto saturado . Mas se possui uma ou mais ligaes mltiplas entre os tomos de car-bono ser um hidrocarboneto insaturado . > Etano > CHH CHH H HCHHCHH > Eteno > CHHC > Etino Frmula de estrutura e modelo 3D das molculas de etano, eteno e etino. Como na molcula de etino existem trs pares de eletres ligantes entre os tomos de carbono, as foras atrativas so mais intensas, aproximando mais os ncleos dos tomos unidos. Assim, a liga-o CC na molcula de etino tem um comprimento menor e, por conseguinte, uma energia de li-gao maior do que nas molculas de eteno e de etano. Molcula Ligao CC Comprimento de ligao / pm Energia de ligao / kJ mol 1 Etano CC 153,5 345 Eteno C=C 132,9 612 Etino CC 120,3 809 1.4 ESTRUTURAS DE MOLCULAS ORGNICAS E BIOLGICAS 26 > 10. ANO EM REVISTA > AREAL EDITORES > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA Nomenclatura de alcanos A IUPAC estabeleceu uma srie de regras para nomear os compostos orgnicos, entre os quais os alcanos, hidrocarbonetos acclicos saturados, e os haloalcanos, derivados dos alcanos em que um ou mais tomos de hidrognio foram substitudos por tomos de halogneos. O nome de um alcano constitudo por um sufixo -ano , que identifica o hidrocarboneto como sendo um alcano, e um prefixo que identifica o nmero de tomos de carbono da cadeia acclica. Nomenclatura de alcanos de cadeia linear: > Nmero de carbonos Frmula molecular Nome Frmula estrutural condensada > 1CH 4Metano CH 42C2H6Etano CH 3CH 33C3H8Propano CH 3CH 2CH 34C4H10 Butano CH 3(CH 2)2CH 35C5H12 Pentano CH 3(CH 2)3CH 36C6H14 Hexano CH 3(CH 2)4CH 3 Nos alcanos de cadeia ramificada, os substituintes mais simples so os grupos alquilo - cadeias late-rais derivadas dos alcanos com menos um hidrognio no local da ligao cadeia principal. Os nomes dos grupos alquilo obtm-se substituindo o sufixo -ano por -ilo , embora o o final seja sempre suprimido no nome de um alcano ramificado. Nomeao de um alcano: 1) Comear por selecionar a cadeia principal que ser a cadeia que contm o maior nmero de tomos de carbono ou, em caso de igualdade, a que tiver maior nmero de cadeias laterais cadeia vermelha. 2) Numerar os tomos de carbono da cadeia principal, comeando a numerao pela extremidade da cadeia que atribui os nmeros mais baixos aos tomos de carbono onde esto ligadas as ca-deias laterais numerao cor de laranja. 3) O nome das cadeias laterais antecede o nome da cadeia principal. 4) Os grupos alquilo so ordenados alfabeticamente e so antecedidos pelo nmero do tomo de carbono da cadeia principal a que esto ligados. 5) Havendo duas ou mais ramificaes iguais usam-se os prefixos di-, tri-, tetra-, etc. para indicar o n-mero de vezes que essa ramificao se repete (esses prefixos no contam para a ordem alfabtica). 6) Os nmeros, que indicam as posies dos substituintes na cadeia principal, so separados entre si por vrgulas e separados das letras por hfens. > EXEMPLO CH 31 2 3 4 55 4 3 > metilo > metilo > etilo 21 CH 2 C CH CH 2CH 3CH 3CH 3 CH 3 O nome do composto exemplificado 3-etil-2,3-dimetilpentano AREAL EDITORES 27 > 10. ANO EM REVISTA > 1LIGAO QUMICA Grupos funcionais Os hidrocarbonetos so as molculas orgnicas mais simples, por serem formadas apenas por carbono e hidrognio. So tambm fundamentais pois so a base de todos os grupos de compostos orgnicos. Os grupos de compostos orgnicos dividem-se de acordo com os grupos funcionais que contm. Um grupo funcional um grupo de tomos ligados na molcula, de forma especfica, que confere reatividade e propriedades qumicas prprias molcula orgnica. Grupo funcional Exemplos lcoois: grupo hidroxilo lcool etlico, ou etanol (CH 3CH 2OH), presente nas bebidas alcolicas e como solvente de perfumes; Glicerina ou propano-1,2,3-triol (CH 2OHCH 2OHCH 2OH) usada em sabes ou cosmticos. Aldedos: grupo carbonilo ligado a um tomo de carbono O formaldedo ou metanal (HCHO) que, em soluo aquosa, usado como desinfetante ou na conservao de cadveres e de peas anatmicas ou o acetaldedo ou etanal (CH 3CHO). Cetonas: grupo carbonilo ligado a dois tomos de carbono A acetona ou propanona (CH 3COCH 3) usada para remover o verniz das unhas ou como solvente de tintas e esmaltes. cidos carboxlicos: grupo carboxlico cido actico ou etanico (CH 3COOH), usado como tempero na comida; cido valrico ou pentanico (CH 3CH 2CH 2CH 2COOH) que d o cheiro ao queijo roquefort . Aminas: grupo funcional derivado do amonaco por substituio de 1, 2 ou 3 tomos de hidrognio por grupos alquilo Trimetilamina (N(CH 3)3) responsvel pelo odor de peixe podre; Pentano-1,5-diamina (NH 2 CH 2CH 2 CH 2CH 2CH 2 NH 2) responsvel pelo odor de carne em decomposio. > OH > COH > CO COOH > N > > CHHO > CHC OH HHCHHOH OH > CHH CO C HH H H > CHH CHH C HH C H HH C OOH > H3C NCH 3CH 3 Glicerina Acetona Formaldedo cido valrico Trimetilamina AREAL EDITORES 28 > 10. ANO EM REVISTA > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA As ligaes intermoleculares resultam das interaes eletrostticas atrativas que existem entre as molculas, obrigando-as a permanecer prximas umas das outras, principalmente no estado slido e lquido. A ligao de hidrognio a mais intensa das interaes intermoleculares; resulta de uma partilha pouco significativa de eletres de um par no ligante de um tomo (como o flor, oxignio ou nitro-gnio) de uma molcula com um tomo de hidrognio, de outra molcula, ligado covalentemente a um elemento com muita tendncia para atrair eletres (como F, O ou N). Estabelece-se nas molcu-las de gua, de amonaco, ou de fluoreto de hidrognio, por exemplo. Ligaes de hidrognio nas molculas de gua. HOHHOHHHH O H O HOH As molculas que no renem condies para estabelecer ligaes de hidrognio interatuam por ligaes de van der Waals : ligao dipolo-dipolo: estabelece-se por atrao eletrosttica entre as cargas opostas dos dipolos permanentes de duas molculas polares vizinhas. > HCS > d+dHCS > d+dHCS > d+dHCS > d+dHCS > d+dHCS > d+dH CS > d+ dHCS > d+dHCS > d+d Ligao dipolo-dipolo nas molculas de cloreto de hidrognio. O O > Molcula de oxignio (apolar) Dipolo induzido na molcula de oxignio pela aproximao da molcula de gua Dipolo permanente na molcula de gua (polar) O d d+ d d+OHHO > ligao dipolo-dipolo induzido: estabelece-se por atrao eletrosttica entre o dipolo permanente de uma molcula polar e o dipolo induzido , resultante da distoro da nuvem eletrnica da molcula apolar vizinha. Ligao dipolo-dipolo induzido entre molculas de gua e oxignio. 1.5 LIGAES INTERMOLECULARES AREAL EDITORES > 29 > 10. ANO EM REVISTA > 1LIGAO QUMICA A intensidade das foras intermoleculares aumenta da forma seguinte: > Dipolo instantneo - dipolo induzido > Sentido do aumento da intensidade das ligaes intermoleculares > Dipolo-dipolo induzido Dipolo-dipolo Ligaes de hidrognio Miscibilidade de lquidos De uma maneira geral, para que duas substncias moleculares sejam miscveis necessrio que as intensidades das ligaes intermoleculares na mistura sejam prximas das intensidades das ligaes intermoleculares em cada uma das substncias isoladamente : A gua e o lcool comum (etanol) so molculas polares que se misturam em qualquer proporo. A explicao est no facto das interaes entre as molculas de gua e lcool serem, predominante-mente, ligaes de hidrognio e terem uma intensidade comparvel s ligaes de hidrognio em cada uma das substncias isoladamente; A gasolina e o leo vegetal so essencialmente misturas de hidrocarbonetos cujas molculas so apolares e que se misturam em qualquer proporo. A explicao semelhante. As foras de dis-perso de London, responsveis pelas atraes intermoleculares nas molculas que constituem a gasolina e nas molculas que constituem o leo vegetal, so tambm responsveis pela atrao entre as molculas da mistura; A gua (polar) e o leo vegetal (apolar) no se mis-turam. Neste caso, as atraes intermoleculares entre as molculas de gua, principalmente liga-es de hidrognio, so mais fortes que as ligaes de van der Waals que se podem estabelecer entre as molculas de gua e as molculas que consti-tuem o leo vegetal. fora de disperso de London: tambm designada ligao dipolo instantneo-dipolo induzido , ex-plica as interaes entre molculas apolares e gases nobres. Consiste na atrao eletrosttica entre dipolos instantneos , formados por deformao da nuvem eletrnica, e dipolos induzidos , resultan-tes da polarizao induzida em molculas vizinhas. > Molcula apolar Molcula apolar Dipolo instantneo Molcula apolar Dipolo instantneo Dipolo induzido > dd+ > dd+dd+ > Fora de disperso de London entre molculas apolares. As foras de disperso de London : so tanto mais intensas quanto maior for a nuvem eletrnica, pois mais polarizvel a molcula; existem tambm em molculas polares, somando-se s atraes entre as distribuies assimtricas de carga. AREAL EDITORES 30 O qumico italiano Amedeo Avogadro, em 1811, no seu estudo sobre o comportamento dos gases, props uma explicao para a relao existente entre o nmero de molculas dos gases e o volume por eles ocupado. Segundo a Lei de Avogadro, volumes iguais de gases diferentes, medidos nas mesmas condies de presso e temperatura, contm o mesmo nmero de molculas ou de tomos, se se tratar de um gs atmico. V n = k V = k nSUBDOMNIO SUBDOMNIO SUBDOMNIO LIGAO QUMICA # GASES E DISPERSES TRANSFORMAES QUMICAS nV O volume ocupado por uma amostra gasosa diretamente proporcional quantidade de ma-tria presente, sendo a constante de proporcio-nalidade o volume molar, para as condies de presso e temperatura em causa. Esboo da variao do volume de um gs em funo da quantidade de matria. Designa-se volume molar ( Vm) de uma substncia o vo-lume ocupado por uma mole dessa substncia, em deter-minadas condies de presso e de temperatura. O volume molar de qualquer substncia no estado gasoso, em condies PTN ( T = 273,15 K e P = 101,325 kPa), : Vm gases (PTN) = 22,4 dm 3 mol - 1 1 mol H 222,4 dm 32 g 1 mol O 222,4 dm 332 g 1 mol CO 222,4 dm 344 g 2.1 LEI DE AVOGADRO, VOLUME MOLAR E MASSA VOLMICA # PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA # DOMNIO AREAL EDITORES > 31 > 10. ANO EM REVISTA > 2GASES E DISPERSES Qual a composio atual da atmosfera terrestre? A atmosfera , maioritariamente, constituda por nitro-gnio ( ) 78%) e oxignio ( ) 21%) , mas tambm contm, em muito menor percentagem e em quantidades vari-veis, outros gases, como o dixido de carbono, o rgon e o vapor de gua. Nitrognio (azoto) 78,08% Oxignio 20,95% Outros gases vestigiais 0,004% rgon 0,93% Dixido de carbono 0,036% > Composio mdia atual da atmosfera ao nvel do mar (vapor de gua no includo). Tendo em conta a Lei de Avogadro e sabendo que o volume ocupado por uma mole de um gs igual ao volume molar, obtm-se: V = n V mPara as mesmas condies de presso e de temperatura, em que o volume molar constante, veri-fica-se: V = m M Vm quanto maior a massa de uma substncia, maior a quantidade de matria presente e maior o volume ocupado; para a mesma massa de substncias diferentes, quanto maior a massa molar da substncia, menor o volume ocupado pela mesma. A massa volmica ( r) define-se como o quociente entre a massa e o volume de uma substncia a uma dada temperatura. No caso dos gases tem-se: rgs = mgs Vgs A uma dada presso e temperatura, a massa volmica de um gs diretamente proporcional sua massa molar, sendo a constante de proporcionalidade o inverso do volume molar: rgs = mgs Vgs = n M n Vm rgs = M Vm Poluentes atmosfricos A crescente atividade humana na indstria, na agricultura ou na pecuria, tem vindo a originar alte-raes na composio da atmosfera e variaes significativas na concentrao de muitos dos seus constituintes vestigiais. Os gases libertados em quantidades excessivas para a atmosfera provocam uma contaminao pro-longada do ar, vulgarmente designada por poluio atmosfrica. Dependendo da sua origem, os poluentes atmosfricos podem ser classificados como: poluentes naturais (quando provm de fenmenos naturais); poluentes antropognicos (quando resultam da atividade humana). 2.2 DISPERSES NA ATMOSFERA AREAL EDITORES 32 > 10. ANO EM REVISTA > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA Os poluentes atmosfricos tambm podem ser classificados atendendo forma como so produzi-dos, em: poluentes primrios , quando so emitidos diretamente para a atmosfera; poluentes secundrios , quando resultam de reaes que ocorrem na atmosfera, envolvendo poluentes primrios. Fontes de poluentes naturais Fontes de poluentes antropognicos Entre as fontes de poluentes naturais encontram-se os vulces, os fogos florestais naturais e a prpria biosfera (decomposio de vegetais e de animais, libertao de compostos radiativos por macios rochosos, como acon-tece com a libertao de rdon, e tempestades de vento). O dixido de enxofre (SO 2) um dos principais componentes dos gases vulcnicos havendo ainda emis-so, em menor quantidade, de outros gases como o monxido de carbono (CO) e o sulfureto de hidrognio (H 2S), entre outros. Durante a decomposio anaerbia de matria orgnica h tambm emisso de gases poluentes, nomeadamente, o sulfureto de hidrognio (H 2S) e o metano (CH 4). A queima de combustveis fsseis, na produo de energia eltrica, a principal fonte antropognica de poluen-tes, libertando xidos de carbono (CO 2 e CO), de enxofre (SO 2 e SO 3), de nitrognio (NO x) e outras partculas em suspenso. As emisses provenientes dos veculos motorizados liber-tam essencialmente monxido de carbono (CO), dixido de carbono (CO 2) e xidos de nitrognio (NO x) formados em consequncia da presena de N 2 e O 2 na cmara de combusto. As extensas plantaes de arroz, a criao de gado e a atividade agrcola em geral, so as principais fontes poluentes de metano (CH 4). A emisso de gases resultante da atividade industrial, nomeadamente, clorofluorocarbonetos (CFC) e dixido de enxofre (SO 2 ), so outra fonte antropognica de poluentes. Solues, disperses coloidais e suspenses A uma mistura de duas ou mais substncias d-se o nome de disperso , em que uma delas o dis-persante, no seio da qual se distribuem as outras, dispersas. As disperses podem classificar-se como solues, coloides e suspenses com base na ordem de grandeza da dimenso das partculas dispersas. > 01 nm (10 9 m) Solues Disperses coloidais Suspenses 1mm(10 6 m) Dimetro das partculas Partculas dispersas com dimenses, inferiores a 1 nm Partculas dispersas com dimenses entre 1 nm e 1 mmPartculas dispersas com dimenses superiores a 1 mm O ar atmosfrico , fundamentalmente, uma mistura homognea de gases, ou seja, uma soluo gasosa. No entanto, sobretudo nas camadas mais baixas da atmosfera, o ar tambm contm outros tipos de disperses, nomeadamente disperses coloidais (como o nevoeiro) e suspenses de matria particulada (como poeiras atmosfricas). AREAL EDITORES 33 > 10. ANO EM REVISTA > 2GASES E DISPERSES O que uma soluo? Uma soluo uma mistura homognea em que as substncias dissolvidas se designam por solutos e a substncia na qual esto dissolvidos os solutos se designa por solvente. O solvente o componente que apresenta o mesmo estado fsico da soluo. Se houver mais do que um componente nesse estado fsico, o solvente o que existe em maior quantidade ou, se as quanti-dades forem iguais, o componente mais voltil. Composio quantitativa de uma soluo Para caracterizar completamente uma soluo no suficiente indicar quais so os seus constituin-tes (composio qualitativa). preciso conhecer, tambm, as quantidades relativas em que esses constituintes esto presentes (composio quantitativa), ou seja, a sua concentrao. Existem vrias formas de exprimir a concentrao dos solutos numa soluo: Concentrao mssica ( Cm) Concentrao ou concentrao molar (c ) Cm = m V Razo entre a massa de um soluto e o volume da soluo. Em geral, a concentrao mssica exprime-se em g dm - 3(ou g L - 1), embora a unidade no SI seja o kg m - 3. c = n V Razo entre a quantidade de matria de um soluto e o volume da soluo. A concentrao molar exprime-se, em geral, em mol dm - 3ou mol L - 1, embora a unidade no SI seja mol m - 3. Frao molar ( x) Relao entre concentrao e concentrao mssica xA = nA ntotal Razo entre a quantidade de matria de um componente e a quantidade de matria total da soluo. expresso apenas pelo seu valor numrico, sem unidade, podendo variar entre 0 (a substncia no existe na soluo) e 1 (substncia pura). A soma das fraes molares de todos os componentes de uma mistura igual a 1. Substituindo, na expresso da concentrao mssica, a massa de soluto pelo produto da respetiva quantidade de matria pela massa molar, obtm-se: Cm = nsoluto M Vsoluo = c M Percentagem em volume (% V/V) Percentagem em massa (% m/m) %( V/V) = VA Vtotal * 10 2 o volume desse soluto existente em cada 100 unidades de volume da soluo, ou seja, igual a 100 vezes a razo entre o volume de um soluto e o volume da soluo. Dizer, por exemplo, que um vinho tem um teor alcolico de 12,5% em volume, significa que existem 12,5 mL de lcool (etanol) por cada 100 mL de vinho. %( m/m) = mA mtotal * 10 2 a massa desse soluto que existe em cada 100 unidades de massa da soluo, ou seja, igual a 100 vezes a razo entre a massa de um soluto e a massa da soluo. Por exemplo, no soro fisiolgico existe 0,9% em massa de cloreto de sdio, o que significa que em 100 g de soro existem 0,9 g de cloreto de sdio. Partes por milho em volume ( ppm V) Partes por milho em massa ( ppm M) ppm V = VA Vtotal * 10 6 o volume de um soluto existente em cada 10 6 unida-des de volume da soluo, ou seja, igual a 10 6 vezes a razo entre o volume de um soluto e o volume da soluo. Relao entre partes por milho em volume e percentagem em volume: ppm V = %( V/V) * 10 4 ppm M = mA mtotal * 10 6 a massa de um soluto existente em cada 10 6 unidades de massa da soluo, ou seja, igual a 10 6 vezes a razo entre a massa de um soluto e a massa da soluo. Relao entre partes por milho em massa e percenta-gem em massa: ppm M = %( m/m) * 10 4 2.3 COMPOSIO QUANTITATIVA DE SOLUES > QUI11AEP_REV-03 34 > 10. ANO EM REVISTA > AREAL EDITORES > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA Diluio de solues aquosas Numa soluo diluda o soluto pouco abundante e a concentrao baixa, enquanto numa soluo concentrada o soluto muito abundante e a concentrao elevada. Quando uma determinada soluo diluda, o seu volume aumenta e a sua concentrao diminui, mas a quantidade de matria do soluto permanece constante. nfinal = ninicial Como c = n V n = c V, ento: cfinal Vfinal = cinicial Vinicial cfinal = cinicial Vinicial Vfinal Ao quociente entre o volume de soluo diluda obtida ( Vf ) e o volume de soluo concentrada utili-zada ( Vi) chama-se fator de diluio , que indica o nmero de vezes que a concentrao final menor que a concentrao inicial, ou seja: f = Vf Vi ou f = ci cfConsiderando uma concentrao de dixido de carbono na atmosfera igual a 0,036% (V/V) possvel exprimir essa concentrao em: ppm v ppm v = 10 6 10 2 * %(V/V) = 10 4 * 0,036 = 3,6 * 10 2 ppm concentrao molar, nas condies PTN 0,036% (V/V) para o CO 2 significa que em 100 dm 3 de ar existem 0,036 dm 3 de CO 2. V = n Vm; como Vm = 22,4 dm 3 mol - 1 (condies PTN), ento: n = 0,036 22,4 = 1,61 * 10 - 3 mol Resulta: c = nsoluto Vsolu o = 1,61 * 10 - 3 100 = 1,61 * 10 - 5 mol dm - 3 ) 1,6 * 10 - 5 mol dm - 3 concentrao mssica, nas condies PTN Cm = msoluto Vsolu o Como m = n M = 1,61 * 10 - 3 * 44,01 = 0,0709 g Resulta: Cm = 0,0709 100 = 7,09 * 10 - 4 g dm - 3 9 7,1 * 10 - 4 g dm - 3 Ou Cm = nsoluto M Vsolu o = c M = 1,61 * 10 - 5 * 44,01 = 7,09 * 10 - 4 g dm - 3 ) 7,1 * 10 - 4 g dm - 3 %(m/m), sabendo que a densidade do ar igual a 1,28 g dm - 3 %(m/m) = mCO 2 mar * 100 Considerando novamente como base de clculo 100 dm 3 de ar: rar = mar Var mar = 1,28 * 100 = 128 g Ento: %(m/m) = 0,0709 128 * 100 = 0,0554% ) 0,055% EXEMPLO AREAL EDITORES 35 Processos endoenergticos e exoenergticos Uma reao qumica uma transformao qumica que leva formao de novas substncias. Durante uma reao qumica existe rutura de ligaes qumicas nos reagentes e formao de novas ligaes qumicas nos produtos. H Reagentes: Rutura de ligaes Produtos da reao: Formao de ligaes HH H+OH HO OOH HSUBDOMNIO SUBDOMNIO SUBDOMNIO LIGAO QUMICA GASES E DISPERSES # TRANSFORMAES QUMICAS A rutura das ligaes qumicas nos reagentes envolve absoro de energia processo endoe-nergtico. A formao das ligaes qumicas dos produtos provoca libertao de energia processo exoe-nergtico. H H H HH H O O H HEnergia potencial Energia fornecida na rutura das ligaes dos reagentes O O H H H H O O Energia potencial Energia libertada na formao das ligaes dos produtos OH H OH H 3.1 REAES QUMICAS E ENERGIA DE LIGAO # PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA # DOMNIO AREAL EDITORES 36 > 10. ANO EM REVISTA Reaes qumicas endotrmicas e exotrmicas: variao de entalpia Como a energia potencial que resulta do rearranjo molecular numa reao qumica , de uma forma geral, totalmente convertida em energia trmica do sistema reacional, a variao de energia que acompanha uma reao qumica repercute-se numa variao de energia trmica. Como tal, utilizam--se os termos endotrmico e exotrmico para mencionar os processos de transformao qumica que ocorrem, respetivamente, com absoro e libertao de energia trmica. Esta variao de energia pode ser quantificada atravs da troca de calor que se estabelece entre o sistema reacional e a vizi-nhana, em condies de presso constante. A energia medida nestas condies tem a designao de variao de entalpia ( DH) de uma reao qumica. REAO ENDOTRMICA A energia dos reagentes inferior energia dos produtos. A energia envolvida na rutura das ligaes qumicas dos reagentes superior, em valor absoluto, energia libertada na formao das ligaes qumicas dos produtos da reao. REAO EXOTRMICA A energia dos reagentes superior energia dos produtos. A energia envolvida na rutura das ligaes qumicas nos reagentes menor, em valor absoluto, do que a energia libertada na forma-o das ligaes qumicas nos produtos de reao. O sistema reacional exige um consumo de energia para que a reao ocorra, apresentando uma variao de entalpia positiva . DH > 0 Como resultado h libertao de energia do sistema, apresentando uma variao de ental-pia negativa . DH < 0 > Entalpia tomos separados Reagentes Energia absorvida (DHr> O) Energia libertada (DHp< O) Produtos > Balano energtico (DH> O) > > Absoro de energia > Entalpia tomos separados Reagentes Energia absorvida (DHr> O) Energia libertada (DHp< O) Produtos > Balano energtico (DH< O) Libertao de energia Em sistemas isolados , e para uma reao endo-trmica , parte da energia associada agitao das partculas converte-se em energia que ab-sorvida pela reao qumica sob a forma de energia potencial, provocando a diminuio da temperatura do sistema reacional. Endotrmicas Tipo de sistema Temperatura Energia total Isolado Diminui No se altera Aberto e fechado Mantm-se Aumenta, capta da vizinhana Em sistemas isolados , e para uma reao exo-trmica , a energia libertada pela reao leva ao aumento da energia trmica do sistema reacio-nal e, consequentemente, provoca uma maior agitao das partculas, o que se traduz num aumento da sua temperatura . Exotrmicas Tipo de sistema Temperatura Energia total Isolado Aumenta No se altera Aberto e fechado Mantm-se Diminui, cede vizinhana Em sistemas abertos e fechados como h trocas de energia com o exterior, a energia libertada ou absorvida pelo sistema tende, respetivamente, a dissipar-se na vizinhana ou a ser recuperada da vizinhana conduzindo, em ambos os casos, a uma temperatura equivalente temperatura exterior, por isso, quer na reao exotrmica quer na reao endotrmica, a temperatura do sistema mantm-se . > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA AREAL EDITORES 37 > 10. ANO EM REVISTA > 3TRANSFORMAES QUMICAS Estimativa da variao de entalpia de uma reao As equaes qumicas podem apresentar a variao de entalpia da reao em causa sendo, nesse caso, designadas equaes termoqumicas. Equao termoqumica da reao de combusto do hidrognio - reao qumica exotrmica, apre-sentando variao de entalpia negativa. 2 H 2(g) + O2(g) " 2 H 2O() DH = - 571,6 kJ A variao de entalpia da reao de - 571,6 kJ, o que significa que h a libertao de 571,6 kJ de energia quando 2 moles de H 2(g) reagem com 1 mole de O 2(g) para formar 2 moles de H 2O(). Como a equao qumica indica a combusto de 2 moles de H 2(g) ou a formao de 2 moles de H2O(), a variao de entalpia pode tambm ser expressa por: DH = - 285,8 kJ mol - 1. > EXEMPLO A variao da entalpia de uma reao qumica pode ser estimada pela diferena da soma das ener-gias (entalpias) de ligao quebradas nos reagentes ( Dreagentes ) com a soma das energias (entalpias) de ligao formadas nos produtos ( Dprodutos ). DH = S Energia (entalpia) ligao reagentes - S Energia (entalpia) ligao produtos DH = S Dreagentes - S Dprodutos A combusto do etano pode ser traduzida pela equao qumica: 2 C 2H6(g) + 7 O 2(g) " 4 CO 2(g) + 6 H 2O(g) Assim, a variao de entalpia ser dada por: DH = 2 * D(CC) + 12 * D(CH) + 7 * D(O=O) - (8 * D(C=O) + 12 * D(OH) ) DH = 2 * 348 + 12 * 414 + 7 * 498 - (8 * 799 + 12 * 463) DH = 9150 - 11 948 = - 2798 kJ Nesta reao libertam-se 2798 kJ de energia por cada 2 moles de etano e 7 moles de oxignio consumidas e por cada 4 moles de dixido de carbono e 6 moles de gua formadas. O O O C OCHH CHH H 2 1 ligao CC 2 6 ligaes CH 7 1 ligao O=O 4 2 ligaes C=O 6 2 ligaes OH Rutura de: Formao de: +H2 * 7 * + 6 *4 * OH H > EXEMPLO AREAL EDITORES > 38 > 10. ANO EM REVISTA > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA Fotodissociao e fotoionizao A radiao eletromagntica, ou simplesmente a luz, capaz de interagir com a matria, desenca-deando transformaes qumicas. As reaes qumicas que se iniciam por ao da luz so designa-das por reaes fotoqumicas e correspondem a processos endoenergticos, isto , a processos que necessitam de absorver energia para ocorrer e que apresentam uma variao de entalpia positiva. Dependendo da substncia em causa e da energia dos fotes incidentes, podem desencadear-se dois fenmenos: FOTOIONIZAO Reao qumica desencadeada pela absoro de um foto capaz de provocar a ejeo de um ele-tro, ou seja, de ionizar a substncia forma-se um io .M " > Luz M+ + 1 e - FOTODISSOCIAO Reao qumica desencadeada pela absoro de um foto capaz de provocar a quebra homol-tica de uma ligao entre os tomos que consti-tuem a substncia formam-se radicais .AB " > Luz A + B O que um radical? Um radical um tomo, uma molcula ou um io que apresenta, pelo menos, um eletro desempa-relhado, ou seja, tem pelo menos um eletro isolado numa orbital. A existncia desse eletro desem-parelhado faz com que, no geral, os radicais sejam espcies qumicas extremamente reativas, tendo o eletro grande tendncia a ligar-se a outro eletro de spin oposto, mesmo que esteja localizado numa outra espcie qumica. Os radicais apresentam as frmulas ou smbolos qumicos com um ponto que representa o eletro desemparelhado. H2O " OH + H Br 2 " Br + Br Estabilidade de espcies qumicas na atmosfera A atmosfera terrestre composta por quatro camadas: troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera. A termosfera, a camada mais externa da atmosfera, atingida por todo o espetro de radiao solar que chega Terra. Existindo radiaes muito energticas nesta camada, a interao da radiao com a matria desencadeia reaes de fotoionizao e fotodissociao das molculas de nitrognio (N 2) e oxignio (O 2). Fotoionizao: N2 > Luz N2 > + + 1e - DH = 1505 kJ mol -1 O2 > Luz O2 > + + 1e - DH = 1144 kJ mol -1 Fotodissociao: N2 > Luz N + N DH = 964 kJ mol -1 O2 > Luz O + O DH = 500 kJ mol -1Na estratosfera existe outra molcula constituda pelo elemento oxignio que apresenta um papel relevante no controlo da radiao que atinge a superfcie da Terra. Trata-se da molcula de ozono (O 3)que, sujeita radiao, sofre fotodissociao. Fotodissociao: O3 > UV O + O2 DH = 387 kJ mol 1 3.2 REAES FOTOQUMICAS NA ATMOSFERA AREAL EDITORES > 39 > 10. ANO EM REVISTA > UVC UVB UVA Camada de ozono > 3TRANSFORMAES QUMICAS a interao da radiao com a matria, na atmosfera, desencadeia processos endoenergticos; a energia requerida para a ionizao das molculas de N 2 e O 2 consideravelmente superior que necessria para as dissociar; quanto maior for a energia de dissociao de uma molcula diatmica mais forte a ligao da molcula: a ligao da molcula de N 2 bastante mais forte do que a ligao da molcula de O 2; a ligao entre os tomos de oxignio mais forte na molcula de oxignio, O 2, do que na molcula de ozono, O 3; existindo radiaes muito energticas, na termosfera, a interao da radiao com a matria desencadeia reaes de fotoionizao; a fotoionizao e a fotodissociao das molculas de N 2 e O 2 so desencadeadas por radiaes das gamas mais energticas do espetro eletromagntico; requerendo, no geral, menos energia, as reaes de fotodissociao podem desencadear-se tam-bm em camadas inferiores da atmosfera. > CONCLUSO Ozono estratosfrico Grande parte das radiaes mais energticas do espetro eletromagntico so absorvidas durante as reaes fotoqumicas que ocorrem na termosfera. No entanto, h radiao ultravioleta biologica-mente nociva que atinge a estratosfera. A camada de ozono - zona da estratosfera, onde se encontra cerca de 90% do ozono que existe na atmosfera - absorve grande parte das radiaes UV (funciona como um filtro solar de radiaes UVB, bem como das radiaes UVC que no foram absorvidas pelas molculas de oxignio na me-sosfera), impossibilitando a sua passagem para a superfcie terrestre. Sydney Chapman props, em 1930, um mecanismo de formao e decomposio do ozono que ex-plica a existncia da camada de ozono. Formao do ozono: O2(g) > UVC O(g) + O(g) (O (g) + O2(g) + M(g) O3(g) + M*(g)) * 23 O 2(g) 2 O 3(g) Decomposio do ozono: O3(g) > UVB O(g) + O2(g) O(g) + O3(g) 2 O 2(g) 2 O 3(g) 3 O 2(g) AREAL EDITORES > 40 > 10. ANO EM REVISTA > 2PROPRIEDADES E TRANSFORMAES DA MATRIA Efeito dos clorofluorcarbonetos sobre o ozono estratosfrico Num estudo de 1985, Joseph Farman e a sua equipa reportaram a existncia de uma expressiva rare-fao de ozono sobre a Antrtida, que denominaram de buraco na camada de ozono , cuja origem foi, mais tarde, atribuda ao uso dos clorofluorocarbonetos (CFC). Por serem gases muitos estveis, os clorofluorocarbonetos (CFC) podem atingir a estratosfera sem se modificarem. Nessa camada sofrem fotodissociao pela radiao UVC, formando radicais cloro que alteram o ciclo do ozono. CC 3F(g) > Luz CC 2F(g) + C (g) De acordo com esse mecanismo, o radical cloro reagiria com uma molcula de ozono para formar um radical monxido de cloro e dioxignio. C (g) + O3(g) " CO (g) + O2(g) Num ltimo passo, o monxido de cloro reagiria com um radical oxignio para se estabilizar, for-mando-se de novo o dioxignio e o cloro radical, que fica livre novamente para atacar outra molcula de ozono. CO (g) + O(g) " C (g) + O2(g) Trata-se de um ciclo em que o radical cloro viabiliza a decomposio do ozono, contribuindo para a sua drstica diminuio, sem ser consumido. Dessa forma, os gases destruidores do ozono perma-necem ativos durante dcadas na estratosfera. Ozono estratosfrico e ozono troposfrico O ozono um gs altamente instvel e muito txico. A sua acumulao na troposfera pode originar problemas respiratrios e irritao ocular, alm de ter um efeito corrosivo em diversos materiais. tambm um dos responsveis pelo efeito de estufa e participa na formao do nevoeiro fotoqu-mico ( smog ), que surge nos grandes centros urbanos e industriais. Assim, pode falar-se em dois tipos de ozono, consoante a camada da atmosfera em que este est localizado: o ozono estratosfrico , que funciona como filtro das radiaes UV protegendo a superf-cie terrestre da sua ao danosa, e o ozono troposfrico , que atua como poluente quando apresenta uma concentrao acima do recomendvel.